Τι συμβαίνει με την μάζα των νετρίνων;

Posted on 11/06/2020

0


To 1998, oι φυσικοί έκαναν μια ανακάλυψη που κλόνισε την καθιερωμένη θεωρία τους για τα στοιχειώδη σωματίδια και έφερε στο προσκήνιο για τις επόμενες δεκαετίες ένα ταπεινό σωματίδιο.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο, η θεωρία που περιγράφει την φυσική των θεμελιωδών σωματιδίων της ύλης από την οποία είμαστε φτιαγμένοι, προέβλεπε ότι η μάζα των σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα δεν έχουν μάζα. Τα πειράματα έδειχναν πως τα νετρίνα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, κάτι που μόνο ένα σωματίδιο με μάζα ηρεμίας μηδέν μπορούσε να το πετύχει.

Όμως οι φυσικοί του ανιχνευτή νετρίνων Super-Kamiokande στην Ιαπωνία από τα πρώτα δεδομένα που συνέλεξαν έβλεπαν πως τα νετρίνα είχαν μια πολύ μικρή μάζα, αλλά ασφαλώς όχι μηδενική. Το γεγονός αυτό τους έφερε σε αμηχανία γιατί δεν μπορούσαν να το εξηγήσουν. Προφανώς κάτι έλειπε από την μέχρι τότε αποδεκτή θεωρία.

Τώρα γνωρίζουμε. Τα νετρίνα έχουν μάζα. Είναι απίστευτα ελαφρά – ένα εκατομμύριο φορές ελαφρότερα από το αμέσως επόμενο ελαφρύτερο σωματίδιο, το ηλεκτρόνιο. Τρισεκατομμύρια νετρίνα διασχίζουν το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, και αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη.

Επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ασθενέστατα με την ύλη, τα πειράματα που διερευνούν τις ιδιότητές του είναι πολύ δύσκολα, και οι γνώσεις μας γι’ αυτά είναι περιορισμένες, σε σχέση με τα άλλα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου.

Τι γνωρίζουμε για τα νετρίνα;

Γνωρίζουμε ότι εμφανίζονται με τρεις γεύσεις. Και όχι με μόνο μια από αυτές. Καθώς κινούνται στον χώρο μεταπίπτουν από την μια γεύση στην άλλη – ένα φαινόμενο γνωστό με το όνομα ταλαντώσεις νετρίνων. Αυτό το φαινόμενο είναι δεν θα ήταν δυνατό αν τα νετρίνα είχαν μηδενική μάζα.

Αλλά από πού προέρχεται αυτή η μάζα;

Τα νετρίνα ανήκουν στην κατηγορία των στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια[1]. Όλα τα άλλα φερμιόνια, όπως τα λεπτόνια και τα κουάρκ «κερδίζουν» την μάζα τους μέσα από την αλληλεπίδρασή τους με το μποζόνιο Higgs. Όμως τα νετρίνα δεν φαίνεται να ακολουθούν τον ίδιο δρόμο.

Οι φυσικοί έχουν προτείνει εκατοντάδες θεωρίες για το πώς τα νετρίνα αποκτούν την μάζα τους και ο καθένας έχει την προτίμησή του. Ίσως υπάρχει μια άλλη πηγή μάζας την οποία δεν γνωρίζουμε. Ίσως η μάζα των νετρίνων να προκύπτει από την αλληλεπίδραση του μποζονίου Higgs και αυτής της άγνωστης πηγής μάζας.

Υπάρχουν πολλές προτάσεις-απαντήσεις, κι αν είμαστε τυχεροί η ερώτηση γίνεται: ποια είναι η σωστή απάντηση; Το σίγουρο είναι ότι στο ερώτημα, «ποιος είναι ο τρόπος με τον οποίο η φύση επιλέγει να δώσει μάζα στα νετρίνα;» δεν έχει ακόμα απαντηθεί οριστικά.

Το κρυμμένο νετρίνο

Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα, τα νετρίνα δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το πεδίο Higgs, διότι δεν είναι δεξιόστροφα. Τα σωματίδια μπορούν να είναι ή αριστερόστροφα ή δεξιόστροφα. Οι ονομασίες αυτές δείχνουν τον προσανατολισμό του σπιν τους σε σχέση με την κατεύθυνση της ορμής τους. Η ιδιότητα προσανατολισμού, δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη ονομάζεται «χειραλικότητα».

Μπορείτε να θεωρήσετε τα περισσότερα σωματίδια αμφιδέξια. Εμφανίζονται τόσο ως αριστερόμορφα όσο και ως δεξιόμορφα. Όταν ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs, αλλάζει χειραλικότητα από αριστερά προς δεξιά ή δεξιά προς αριστερά. Αυτή η αλλαγή πρέπει να συμβεί ώστε το πεδίο να δώσει μάζα στα σωματίδια.

Τα αριστερόστροφα σωματίδια συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από τα δεξιόστροφα σωματίδια. Άρα χρειάζεστε κάτι για να τα κολλήσετε μαζί, κι αυτό είναι το μποζόνιο Higgs.

Αλλά στην περίπτωση των νετρίνων, αυτό είναι πιο περίπλοκο. Τούτο συμβαίνει επειδή, όλα τα νετρίνα φαίνεται πως είναι αριστερόστροφα.

Η έλλειψη δεξιόστροφου νετρίνου αποτελεί το βασικότερο μυστήριο των νετρίνων. Δεν γνωρίζουμε αν ένα τέτοιο σωματίδιο υπάρχει στην πραγματικότητα. Και εάν υπάρχει το δεξιόστροφο νετρίνο, πρέπει να είναι τόσο αδρανές, ώστε να αλληλεπιδρά μόνο με το μποζόνιο Higgs, και γιαυτό ιδιαίτερα δύσκολο να εντοπιστεί.

Το νετρίνο ως το αντισωματίδιό του

Παρόλο που οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη ανιχνεύσει δεξιόστροφα νετρίνα, γνωρίζουν ήδη μια διαφορετική ομάδα δεξιόστροφων σωματιδίων στο οικοσύστημα των νετρίνων: τα αντινετρίνα. Αυτό μας συνδέει με την επόμενη θεωρία: Είναι πιθανό ένα νετρίνο να είναι στην πραγματικότητα και το αντισωματίδιό του.

Κάθε θεμελιώδες σωματίδιο αντιστοιχεί σε ένα αντισωματίδιο με ορισμένα κατοπτρικά χαρακτηριστικά, όπως αντίθετο φορτίο (για παράδειγμα, το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και το θετικά φορτισμένο αντισωματίδιό του, το ποζιτρόνιο). Τα αντισωματίδια αποκτούν την μάζα τους όπως ακριβώς και τα αντίστοιχά τους σωματίδια.

Το νετρίνο και το αντινετρίνο, είναι και τα δύο ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια. Εδώ λοιπόν προκύπτει ένας γρίφος: Αν μοιάζει με νετρίνο και δρα σαν νετρίνο, δεν σημαίνει ότι το αντινετρίνο μπορεί να είναι το ίδιο σωματίδιο με το νετρίνο;

Εάν το αντινετρίνο και το νετρίνο είναι απλώς δεξιόστροφες και αριστερόστροφες εκδοχές του ίδιου σωματιδίου, τότε θα πρέπει να μπορούν να αλληλεπιδρούν ώστε να αποκτήσουν μάζα. Που σημαίνει ότι τα νετρίνα είναι αυτό που ονομάζουμε φερμιόνια Majorana, το οποίο μπορεί να προκύψει μόνο όταν τόσο το σωματίδιο όσο και το αντισωματίδιο είναι πανομοιότυπα.

Σε αυτό το σενάριο, το νετρίνο θα πάρει τη μάζα του μέσω μιας αλληλεπίδρασης με το αντινετρίνο του. Για να γίνει αυτό, οι θεωρητικοί θα πρέπει να εφεύρουν κάτι άλλο, όπως μια μοναδική μορφή του μποζονίου Higgs ειδική για την αλληλεπίδραση νετρίνων.

Μια εναλλακτική θεωρία χωρίς το Higgs

Η πιο δημοφιλής θεωρία προτείνει έναν εντελώς νέο μηχανισμό για την μάζα των νετρίνων, εισάγοντας ένα νέο σωματίδιο πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, η νέα αυτή οντότητα θα μπορούσε να είναι ένα πολύ βαρύ σωματίδιο, που μοιάζει με δεξιόστροφο νετρίνο, αλλά με διαφορετική μάζα. Θα μπορούσε να είναι κάτι που μοιάζει με το μποζόνιο Higgs ή ένα είδος σωματιδίου σαν το ηλεκτρόνιο ή πολλά σωματίδια η συλλογική δράση των οποίων δίνει την μάζα στα νετρίνα. Μια μορφή αυτής της θεωρίας, αρκετά δημοφιλής, είναι ο μηχανισμός Seesaw, οποίος επιβεβαιώνει τις πολύ μικρές μάζες των νετρίνων.

Αν το σωματίδιο που δημιουργεί την μάζα των νετρίνων είναι πολύ βαρύ, η μεγάλη του μάζα είναι που κάνει τα νετρίνα να έχουν πολύ μικρή μάζα.

Τα πειράματα νετρίνων

Οι φυσικοί δοκιμάζουν αυτές τις θεωρίες με πειράματα. Η πρώτη και πιο σημαντική ερώτηση που πρέπει να απαντηθεί είναι, «αν τα νετρίνα Majorana είναι φερμιόνια;». Πειράματα όπως το GERDA (GERmanium Detector Array) στο υπόγειο εργαστήριο του Gran Sasso στην Ιταλία προσπαθούν να προσδιορίσουν αν τα νετρίνα ταυτίζονται με τα αντισωμτίδιά τους, αναζητώντας ένα φαινόμενο που ονομάζεται διπλή βήτα διάσπαση.

Σ’ αυτή την διαδικασία, ένα νετρόνιο στον πυρήνα ενός ισοτόπου, στην περίπτωση αυτή ένα ισότοπο γερμανίου, διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο. Αν δυο νετρόνια στον πυρήνα του ισοτόπου διασπαστούν ταυτόχρονα, τότε προκύπτει αυτό που ονομάζεται διπλή βήτα διάσπαση. Οι φυσικοί ψάχνουν μια διπλή βήτα διάσπαση όπου ο πυρήνας δεν εκπέμπει νετρίνα, αλλά φαίνεται να εκπέμπει μόνο δυο ηλεκτρόνια, αφού τα νετρίνα (τύπου Majorana) που εκπέμπονται εξαϋλώνονται.

Κι αν η παρατήρηση της διπλής βήτα διάσπασης είναι εξαιρετικά σπάνια, τότε η χωρίς νετρίνα διπλή διάσπαση βήτα θα είναι πολύ σπανιότερη. Αλλά, οι φυσικοί περιμένουν να δοθεί πειραματική απάντηση στο πρόβλημα σε περίπου δέκα χρόνια.

Οι καρποί αυτής της έρευνας δεν τελειώνουν με τα νετρίνα. Αν κατανοήσουμε περισσότερο τα νετρίνα τότε θα μπορούμε να απαντήσουμε κι άλλες ανοιχτές ερωτήσεις στην σωματιδιακή φυσική. Ερωτήσεις όπως: Γιατί η ύλη στο σύμπαν κυριαρχεί συντριπτικά έναντι της αντιύλης; Γιατί η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται; Τι είναι η σκοτεινή ύλη;

Το βέβαιο είναι πως η συλλογή όσο το δυνατόν περισσότερων πειραματικών δεδομένων σχετικά με την μάζα των νετρίνων θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε περισσότερο την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων – ή που είναι το ίδιο, να κατανοήσουμε καλύτερα τον εαυτό μας και τον κόσμο που μας περιβάλλει.

πηγή: https://www.symmetrymagazine.org/article/how-do-neutrinos-get-their-mass

 

[1] φερμιόνια=τα σωματίδια που υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli και έχουν ημιακέραιο σπιν, μποζόνια=δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli και έχουν ακέραιο σπιν

Ετικέτα: